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JP3681992B2 - Manufacturing method of semiconductor integrated circuit - Google Patents

Manufacturing method of semiconductor integrated circuit Download PDF

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JP3681992B2
JP3681992B2 JP2001178040A JP2001178040A JP3681992B2 JP 3681992 B2 JP3681992 B2 JP 3681992B2 JP 2001178040 A JP2001178040 A JP 2001178040A JP 2001178040 A JP2001178040 A JP 2001178040A JP 3681992 B2 JP3681992 B2 JP 3681992B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路に関し、特に半導体素子が3次元的に集積された半導体集積回路の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子の3次元集積化は半導体集積回路の集積度を上げるために重要であるとともに、光スイッチアレイの構築にも極めて重要な基本技術である。光スイッチアレイは光信号処理や光情報処理のキーデバイスとしてその開発が非常に望まれている。従来この種の素子としては、例えば文献「IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS 7 巻、360 頁(1995)」に見られるように、シリコン集積回路基板上に多重量子井戸型pinダイオードを半田バンプにより実装し、多重量子井戸型pinダイオードを受光素子あるいは光変調器として用いて光の入出力を行い、論理機能をシリコン集積回路に行わせる「ハイブリッド・シード(H-SHEED )」と呼ばれる素子が提案されている。この素子では、入力用多重量子井戸型pinダイオードに入射した入力光信号を電気信号に変換して、シリコン集積回路基板に伝達し電気的に処理した後に、出力用多重量子井戸型pinダイオードにかかる電圧を制御する。このとき、出力用多重量子井戸型pinダイオードでは電圧変化に応じた量子閉じ込めシュタルク効果により、一定強度でバイアスされた光の反射強度を制御することができる。その構成を図12に、特性を図13に示す。
【0003】
図12(a)に示すように、エピタキシャル基板10には、p−GaAs基板11上に、p−AlGaAs層12、i−MQW層13および(n- −GaAs層およびn+−GaAs層)14を順次積層し、Beイオン注入層15および反射層としてのTi/Au膜16を形成した光変調部が構成される。p側およびn側の電極は同一平面上にあり、Beイオン注入層15およびTi/Au膜16上に半田17が形成されている。一方、表面にCMOSが形成されているシリコン集積回路基板20の表面には濡れ性を改善するためのAl:Ti/Pt/Au膜21が形成され、その上に半田17が設けられている。この二つの基板を図12(b)に示すように、半田バンプにより接合して光変調器はシリコン集積回路基板に実装される。接合後、接合部の周囲はエポキシ樹脂18によって充填され、次いで、GaAs基板が除去される。エポキシ樹脂はその後除去することができる。最後に、図12(c)に示すように、反射防止コーティング19を施して、シリコンCMOSと集積化された光変調器が得られる。この従来例は、2入力2出力スイッチ機能を持っている。
【0004】
図13はこのようにして作成されたハイブリッド・シード素子におけるゲート−ソース間電圧と反射率の関係を示す。CMOSのゲート−ソース間電圧の制御によってスイッチング動作が可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述した光スイッチアレイには、以下のような問題点があった。
【0006】
第1に、光変調部として多重量子井戸型pinダイオードを用いているために消光比が低く、かつ損失が大きい。
【0007】
第2に、光変調部にはバイアス光を入射する必要があるので、光学系が複雑になる。
【0008】
第3に、光変調部の動作電圧が10V程度と大きなために、応答速度が遅い。
【0009】
第4に、量子閉じ込めシュタルク効果を用いた変調器は動作波長が数nmに制限され、さらにシリコン集積回路からの発熱により変調器の動作波長が変動するため、バイアス光の光源への波長の制限が厳しく、さらに、素子を一定温度に制御する必要がある。
【0010】
一方、前述した従来素子のような半田バンプによる電子素子と光素子の3次元構造の構成方法には以下のような問題がある。
【0011】
すなわち、例えば受光器と面発光レーザのような異なる層構造を有する光素子を同時にシリコン集積回路上に配置しようとすると、それぞれの光素子が異なる構造を有するため、それらを同一基板上に形成することは困難になり、従って、それぞれの素子を別個に半田バンプによってシリコン集積回路に配置する必要がある。この様な個別搭載には次のような困難が伴う。
【0012】
第1に半田バンプを複数回行わなければならないので工程が複雑化する。
【0013】
第2に、光スイッチアレイでは各光素子の相対位置は、予め決められている入出射光の位置関係に一致しなければならないが、半田バンプを個々の光素子毎に行うことにより個々の光素子間の相対位置を正確に定めることは困難である。従って、各光素子の位置関係を入出射光の位置関係に一致させることは困難である。
【0014】
本発明の目的は、従来の光スイッチアレイにあった上記問題点を解決した半導体集積回路の製造方法を実現することにある。さらに、消光比が大きく、光学系が簡単で、高速な応答速度を有し、動作マージンの大きい光スッチアレイの作製方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体集積回路の製造方法は、化合物半導体基板の一方の主面上に、選択エッチング層、コンタクト層、第1のDBR層、活性層、第2のDBR層、光吸収層の順にエピタキシャル成長によって積層体を形成した光入出力基板と、一方の主面上に半導体素子が集積され、かつ電気接続用金属層および放熱用金属層がパタン形成されたシリコン集積回路基板とを、前記光入出力基板の前記積層体を形成した面と前記シリコン集積回路基板の半導体素子が集積された面とを対向させて有機材料からなる絶縁性の接着層を介して貼り合わせ、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を研磨および化学エッチング法により除去する第一の工程と、前記第一の工程に引き続き、前記積層体を加工して発光素子および受光素子とを形成し、当該発光素子および受光素子の各々の電極を形成する第二の工程と、前記シリコン集積回路基板上の半導体素子と前記発光素子および受光素子の各々の電極とを接続するためのスルーホールを形成し、前記スルーホールを金属で埋めて電気的に接続させる第三の工程とを備え、前記第二の工程は、前記コンタクト層と前記第1のDBR層と前記活性層と前記第2のDBR層とを加工して発光素子部を形成する工程と、形成した発光素子部の前記コンタクト層と前記第2のDBR層とに電極を形成して発光素子を形成する工程と、前記発光素子部を形成する工程によって露出した前記光吸収層に電極を形成して受光素子を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【0016】
また、化合物半導体基板の一方の主面上に、選択エッチング層、光吸収層、第1のDBR層、活性層、第2のDBR層、コンタクト層の順にエピタキシャル成長によって積層体を形成した光入出力基板の前記積層体を形成した面と石英基板とをワックスを用いて貼り合わせ、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を研磨および化学エッチング法により除去する第一の工程と、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を除去した面と、一方の主面上に半導体素子が集積され、かつ電気接続用金属層および放熱用金属層がパタン形成されたシリコン集積回路基板の半導体素子が集積された面とを対向させて有機材料からなる絶縁性の接着層を介して貼り合わせ、加熱により前記ワックスを溶かして前記石英基板を取り外す第二の工程と、前記第二の工程に引き続き、前記積層体を加工して発光素子および受光素子とを形成し、当該発光素子および受光素子の各々の電極を形成する第三の工程と、前記シリコン集積回路基板上の半導体素子と前記発光素子および受光素子の各々の電極とを接続するためのスルーホールを形成し、前記スルーホールを金属で埋めて電気的に接続させる第四の工程とを備え、前記第三の工程は、前記コンタクト層と前記第2のDBR層と前記活性層と前記第1のDBR層とを加工して発光素子部を形成する工程と、形成した発光素子部の前記コンタクト層と前記第1のDBR層とに電極を形成して発光素子を形成する工程と、前記発光素子部を形成する工程によって露出した前記光吸収層に電極を形成して受光素子を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【0017】
また、化合物半導体基板の一方の主面上に、選択エッチング層、光吸収層、第1のDBR層、活性層、第2のDBR層、コンタクト層の順にエピタキシャル成長によって積層体を形成し、前記積層体を加工して複数の発光素子および複数の受光素子ならびに各々の電極を形成して光入出力基板を形成する第一の工程と、前記光入出力基板の前記複数の発光素子および複数の受光素子ならびに各々の電極を形成した面と石英基板とをワックスを用いて貼り合わせ、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を研磨および化学エッチング法により除去する第二の工程と、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を除去した面と、一方の主面上に半導体素子が集積され、かつ電気接続用金属層および放熱用金属層がパタン形成されたシリコン集積回路基板の半導体素子が集積された面とを対向させて、赤外光を用いて位置決めを行い、有機材料からなる絶縁性の接着層を介して貼り合わせ、加熱により前記ワックスを溶かして、前記石英基板を取り外す第三の工程と、前記シリコン集積回路基板上の半導体素子と前記複数の発光素子および複数の受光素子の各々の電極とを接続するためのスルーホールを形成し、前記スルーホールを金属で埋めて電気的に接続させる第四の工程とを備え、前記第一の工程は、前記コンタクト層と前記第2のDBR層と前記活性層と前記第1のDBR層とを加工して発光素子部を形成する工程と、形成した発光素子部の前記コンタクト層と前記第1のDBR層とに電極を形成して発光素子を形成する工程と、前記発光素子部を形成する工程によって露出した前記光吸収層に電極を形成して受光素子を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【0018】
また、化合物半導体基板の一方の主面上に、第1の選択エッチング層、コンタクト層、第1のDBR層、活性層、第2のDBR層、第2の選択エッチング層、FET素子構成層、光吸収層の順にエピタキシャル成長によって積層体を形成した光入出力基板と、一方の主面上に半導体素子が集積され、かつ電気接続用金属層および放熱用金属層がパタン形成されたシリコン集積回路基板とを、前記光入出力基板の前記積層体を形成した面と前記シリコン集積回路基板の半導体素子が集積された面とを対向させて有機材料からなる絶縁性の接着層を介して貼り合わせ、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記第1の選択エッチング層を研磨および化学エッチング法により除去する第一の工程と、前記第一の工程に引き続き、前記積層体を加工して発光素子およびFET素子ならびに受光素子とを形成し、当該発光素子およびFET素子ならびに受光素子の各々の電極を形成する第二の工程と、前記シリコン集積回路基板上の半導体素子と前記発光素子およびFET素子ならびに受光素子の各々の電極とを接続するためのスルーホールを形成し、前記スルーホールを金属で埋めて電気的に接続させる第三の工程とを備え、前記第二の工程は、前記コンタクト層と前記第1のDBR層と前記活性層と前記第2のDBR層とを加工して発光素子部を形成するとともに前記第2の選択エッチング層を露出させる工程と、露出した第2の選択エッチング層をエッチングして前記FET素子構成層を露出させ、露出した前記FET素子構成層を加工してFET素子部を形成する工程と、形成した発光素子部の前記コンタクト層と前記第2のDBR層とに電極を形成して発光素子を形成する工程と、形成したFET素子部に電極を形成してFET素子を形成する工程と、前記FET素子部を形成する工程によって露出した前記光吸収層に電極を形成して受光素子を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明による素子の一実施形態を示す。MOSFET、トランジスタ、ダイオード等の半導体素子が一主面上に集積化された集積回路基板200上に、絶縁層300を介して光入出力基板100が一体化されている。この光入出力基板100には複数の受光素子100Aと垂直共振器型面発光レーザ(以下、面発光レーザと記す)100Bが配置されている。絶縁層300には窓が設けられ、受光素子100Aおよび面発光素子100Bはこの窓を通して配線400により集積回路基板200の金属配線200Aと接続されている。100Cおよび100Dはそれぞれ受光素子100Aおよび面発光素子100Bの配線である。この素子は、受光素子100Aが入力した光を電気信号に変換し、その電気信号を集積回路基板200に集積されている半導体素子で増幅、スイッチング等の処理を行い、処理結果を電流出力として面発光レーザ100Bに伝達し、その動作を制御するすることができる。
【0020】
図2にこの素子の動作特性を示す。図2の例では、入力信号を同期、増幅および波形整形した結果を示している。本発明の素子の場合、集積回路基板の処理機能により様々な処理が可能となり、この例のほかに2×2のスイッチングや種々の演算処理、画像処理などが挙げられる。
【0021】
本発明による光スイッチアレイでは、光変調部として垂直共振器型面発光レーザを用いているため、バイアス光が必要なく、高コントラストが得られるため、光学系が簡単になる。また、動作電圧も3V程度で充分なので、高速動作が実現できる。加えて、本発明の素子を多段に構成し、前段からの出力光を入力光とするような光接続を行って光インターコネクション等の処理を行う場合、面発光レーザは、発振波長が膜厚の揺らぎに対して非常に敏感であり、制御が難しいが、受光部としてpinダイオード、MSMフォトダイオード等を用いれば、100nm以上の広範囲な波長でほぼ均一な光感度を得られるため、前段の面発光レーザの発振波長に制限がなくなり、多段化に有利であるという特徴も持つ。
【0022】
以上のような光スイッチアレイを製造しようとすると、垂直共振器型面発光レーザと受光器の層構造が異なるため、一枚の基板上に同時に形成することができないので、上述したように半田バンプ技術が使用できない。この問題を解決するために、本発明は、半導体素子が一方の主面上に集積化された半導体基板上に、絶縁層を介して垂直共振器等の半導体素子を配置し、さらに、この絶縁層に形成された窓を通して半導体基板上に集積化された半導体素子と絶縁層上に配置された垂直共振器等の間に配線を施している。
【0023】
絶縁層としてはポリイミドやSiO2等があるが、いずれも適切な工程により、半導体同士を貼り合わせる能力を有する。従って、これらの絶縁層を接着層として用いることにより、半導体素子の立体配置が容易となる。さらに、絶縁性であるためにこの接着層の上には容易に配線が可能になり、従って、集積回路上に配置された素子に必要な配線を施すことができる。例えば、一枚の基板上にレーザのための層構造と受光器のための層構造を積層し、これを絶縁性の接着層により半導体集積回路に貼り合わせると、図1のようにエッチングにより各層構造を必要に応じて露出させた後、必要な配線が容易にできる。
【0024】
【実施例】
実施例1 光入出力基板の成長面を集積回路基板側に向けて接着した場合
本発明を光スイッチアレイに適用した第1の具体例を図3および図4に示す。
【0025】
図3は活性層にGaAs/AlGaAs多重量子井戸を用いた場合の光入出力基板の断面図である。半絶縁性GaAs基板101上に、選択エッチング用AlAs層102、n+−GaAsコンタクト層103、n−DBR(Distributed Bragg Reflector) 層104、活性層105、p−DBR層106およびi−GaAs光吸収層107を、順次分子線エピタキシャル成長法により形成した。p型およびn型ドーパントにはそれぞれBeおよびSiを用いた。ここで、n−DBR層はn−AlAs(71.5nm)/n−Al0.15Ga0.85As(62.9nm)を交互に25周期積層した構造からなり、p−DBR層はp−AlAs(71.5nm)/p−Al0.15Ga0.85As(62.9nm)を交互に30周期積層した構造からなる。
【0026】
図4に光スイッチの作製法を示す。まず、図4(a)のように、光入出力基板100の成長層100Eをシリコン集積回路基板200の半導体素子が集積されている主面側に向けて接着剤300で接着する。この場合、両方の基板の接着面にそれぞれスピンコートにより接着剤としてポリイミドを塗布し気泡が入らないようにする。その後、両基板を貼り合わせ、荷重をかけながら高温で熱処理して硬化させる。貼り合わせの手順は、まず150℃程度の温度で仮接着を行い、ここでGaAs基板101を1チップ程度の大きさに分割する。その後350℃で最終硬化させる。これは2インチ以上の大きな基板になった場合、シリコンとGaAsの熱膨張係数の違いにより基板が反り割れるのを防ぐためである。この際、集積回路基板200上に電気接続および冷却用の厚い金属膜200Aを作製した場合、金属膜200A部分は、光入出力基板100との間に入ったポリイミド300が接着時に荷重をかけることによって押し出され、その結果、図4(b)に示すように、光入出力基板100と直接接触するようになる。
【0027】
その後、GaAs基板101を厚さ50μm程度まで研磨し、PA30溶液(H22 :NH3OH=30:1)によりGaAs基板101のみを選択的にエッチングし、AlAs層102でエッチングを止める。次に、塩酸によりAlAs層102のみを選択的にエッチングし、図4(c)のようにn+−GaAsコンタクト層103が表面に露出した状態にする。図4(c′)はこの状態での成長層を示す拡大図である。
【0028】
次に、図4(d)に示すように光入出力基板を加工し、面発光レーザ100BとSMSフォトディテクタ100Aを形成する。図4(d′)は面発光レーザ部の拡大図である。面発光レーザのp型電極110としてはAuZnNiを、n型電極111としてはAuGeNiを用い、フォトディテクタのショットキ電極112としてはTi/Pt/Auを用いた。
その後、図4(e)に示すように、光入出力基板100の両基板間の電気配線を行う部分にエッチングにより金属膜200Aが露出するまでスルーホールを開ける。SMSフォトディテクタ部分も区画する。
【0029】
そして、素子間配線用金属400を鍍金によって形成し、また配線113を施して図4(f)に示す構造を得る。
【0030】
従来例のように、半田バンプを用いる場合は、電極は必ずレーザおよび受光器を積層した基板の表面に形成しなければならないので、どちらか一方の素子への電極の形成が困難になる。例えば、図3のような積層構造を用いると、p−DBR層106と活性層105とn−DBR層104よりなるレーザ構造への電極形成が困難である。しかし、本願発明の構造ではこのような問題は生じない。集積回路基板200上の厚い金属膜200Aは両基板間の電気接続の際の段差を減らす効果と、受光素子、発光素子から集積回路基板への光の入射を防ぐ効果および光入出力基板で発生した熱を金属膜を通して取り除く効果がある。
【0031】
実際に1ピクセル内にMSM−PD、MESFET3個、および面発光レーザを有する8×8=64ピクセルの2次元アレイを作製し、850nm波長帯で、0.1mW、200MHzの入力光をMSD−PDに入力し1mWの出力光が面発光レーザから出射する動作が全ピクセルで並列になされることが確認された。
【0032】
また、集積回路内の一つの処理単位(セル)ごとに面発光レーザ、受光素子は一つに限られたものではなく、複数の入出力素子があってもよい。
【0033】
本実施例では、素子間配線用金属の形成に鍍金を用いたが、これに限るものでなく、例えばタングステン等を用いて選択成長により段差を埋めてもよい。また、両基板の貼り合わせにはポリイミドを用いているが、これに限られるものではなく、エポキシ系などの各種接着剤を用いてもよく、SiO2などの誘電体同士の接着なども可能である。
【0034】
なお、光入出力基板を、半絶縁性GaAs基板101上に、選択エッチング用AlAs層、p+−GaAsコンタクト層、p−DBR層、i−GaAs/AlGaAs活性層,n−DBR層およびi−GaAs光吸収層の順に積層し、面発光レーザのDBR層のp、nの極性を入れ換えてもよい。この場合は、p−DBR層は25周期積層し、n−DBR層は30周期積層した構造とする。これは、集積回路基板側のDBRミラーの反射率を出射側のDBRミラーの反射率よりも高く設定することによって、高い効率で出射側に出力光が得られるようにするためである。このことは以下の実施例でも同様である。
【0035】
実施例2 光入出力基板の成長面を集積回路基板側と反対にして接着した場合
(その1) 基板接着後に光入出力基板をプロセスする場合
本発明を光スイッチアレイに適用した第2の具体例を図5から図7に示す。
【0036】
図5は活性層にGaAs/AlGaAs多重量子井戸を用いた場合の光入出力基板の断面図である。半絶縁性GaAs基板101上に、選択エッチング用AlAs層102、i−GaAs光吸収層107、p−DBR層106、i−GaAs/AlGaAs活性層105、n−DBR層104、およびn+−GaAsコンタクト層103を、順次分子線エピタキシャル成長法により形成した。先の実施例1とは受光素子構成層と発光素子構成層の積層順序が逆になっている。ここで、実施例1と同様に、n−DBR層は30周期積層した構造からなり、p−DBR層は25周期積層した構造からなる。
【0037】
図6に光スイッチの作成法を示す。まず、図6(a)の様に光入出力基板100を平坦な石英板400に、成長層100Eを上にしてワックス500により貼り付ける。
【0038】
次いで、図6(b)に示すように、GaAs基板101を厚さ50μm程度まで研磨した後、クエン酸溶液によりGaAs基板のみをエッチングし、AlAs層102でエッチングを止める。次に、塩酸によりAlAs層102のみを選択的にエッチングする。
【0039】
次に、図6(c)の様に、ポリイミド300により集積回路基板200との貼り合わせを行う。まず、100℃程度でベーキングを行ってポリイミドを硬化させる。
【0040】
このとき、石英板400と光入出力基板100の間にあったワックスは熱によって溶けるので、図6(d)に示すように、集積回路基板200と光入出力基板の成長層100Eを一緒に石英板から取り外す。その後、300℃程度の高温でポリイミドを最終硬化させる。この状態は実施例1の図4(c)と同じ状態であり、以後は実施例1と同様にして素子が作製できる。
【0041】
この場合、選択エッチングでi−GaAs光吸収層を露出する必要はなく、半絶縁性GaAs基板101が残ったままで集積回路基板200に貼り付けてもよい。この例を図7に示す。
【0042】
(その2) 光入出力基板をプロセス後に接着する場合
本発明を適用した光スイッチアレイの第3の具体例を図8に示す。光入出力基板は図5に示した第2の具体例と同様である。
【0043】
図8に光スイッチの作製法を示す。まず、面発光レーザ100B、MSMフォトダイオード100Aを半絶縁性GaAs基板101を処理することなしにプロセスした後、図8(a)に示すように、平坦な石英板400とプロセスした面を向い合わせてワックス500により貼り合わせる。図8(a′)は光入出力基板の拡大図である。
【0044】
次に、図8(b)に示すように、GaAs基板を厚さ50μm程度まで研磨し、次いでPA30溶液によりGaAs基板のみをエッチングし、AlAs層でエッチングを止め、さらに、塩酸によりAlAs層のみを選択的にエッチングする。
【0045】
次に、図8(c)に示すように、両方の基板にポリイミド300を塗布した後、赤外線カメラ(CCDカメラ)を用いて集積回路基板200と光入出力基板100の回路パターンをモニタしながら、微動台600を用いて両基板の位置合わせを行い、貼り合わせる。
【0046】
次に、(その1)の場合と同様に、100℃程度でポリイミドを硬化させ、同時に石英板から両基板を取り外した後、300℃まで昇温することによりポリイミド300を最終的に硬化させ、図8(d)に示した構造を得る。この状態は、図4(d)と同様の状態であり、以後は先の具体例と同じプロセスを行う。
【0047】
この場合、第2の具体例と同様に、選択エッチングでi−GaAs光吸収層を露出する必要はなく、半絶縁性GaAs基板101が残ったままで集積回路基板200に貼り付けてもよい。
【0048】
実施例3 光入出力基板にも電気回路を形成した場合
これまでの実施例では光入出力基板100には面発光レーザとフォトディテクタが構成されていたが、光入出力基板100にFETなどの電気回路を構成することも可能である。ここでは、第1の具体例と同様の方法で光スイッチを構成する例を述べる。FETは下記の説明のようにエピタキシャル成長によって構成することも、またイオン注入によって構成することも可能である。
【0049】
図9は活性層にGaAs/AlGaAs多重量子井戸を用いた場合の光入出力基板の断面図である。
【0050】
半絶縁性GaAs基板101上に、選択エッチング用AlAs層102、p+−GaAsコンタクト層120、p−DBR層106、i−GaAs/AlGaAs活性層105、n−DBR層104、選択エッチング層としてn−InGaP層121(10nm)、FET用コンタクト層としてn+−GaAs層122(0.4μm)、FETチャネル層としてn- −GaAsチャネル層123(0.2μm)およびi−GaAs光吸収層107(2μm)を、順次分子線エピタキシャル成長法により形成した。p型およびn型ドーパントにはそれぞれBeおよびSiを用いた。ここで、p−DBR層はp−AlAs(71.5nm)/p−Al0.15Ga0.85As(62.9nm)を交互に25周期積層した構造からなり、n−DBR層はn−AlAs(71.5nm)/n−Al0.15Ga0.85As(62.9nm)を交互に30周期積層した構造からなる。
【0051】
これを図10に示すように加工して光スイッチを作製する。
【0052】
まず、図10(a)に示すように、第1の実施例と同様にして、集積回路基板200上にポリイミド300を用いて光入出力基板100を接着し、その後、研磨とエッチングによりエピタキシャル成長層100Eだけを残す。図10(a′)は成長層の拡大断面図である。
【0053】
次に、図10(b)に示すように、面発光レーザ部100Bのメサエッチングを行う。図10(b′)は面発光レーザ部の拡大断面図である。このとき、選択エッチングによってメサ深さはInGaP層121までに達する。
【0054】
FETのプロセスは、図10(c)に示すように、InGaP層121をエッチングした後、FET100Fのメサエッチングをi−GaAs光吸収層107まで行う。次に、n+−GaAsコンタクト層122にソース、ドレイン電極124を作成する。リセスエッチングはn- −GaAsチャネル層123まで行い、その後、ゲート電極125を作成する。このとき、同時にMSMフォトディテクタ100Aの電極も形成する。
【0055】
最後に図10(d)に示すように、集積回路基板200との電気配線400を施す。
【0056】
このように、光入出力基板にも電気回路を構成した場合は、Siに比べて大きなゲインを持つFETが作成でき、集積回路の方では小さな電圧振幅のみで面発光レーザを駆動できることになり、集積回路基板の負担を軽減でき、より高速な応答が可能となる。
【0057】
これまでの具体例では受光素子としてMSMフォトダイオードを用いた例を説明したが、これ以外にも受光部としてはpinフォトダイオード、フォトコンダクタ等を用いても半発明の素子を構成できる。
【0058】
実施例4
pinフォトダイオードを用いて作成した例を図11に示す。pinフォトダイオード100Gは、図示されるように、n−GaAs層131、i−GaAs光吸収層107、p−GaAs層130から構成され、絶縁膜132を介してポリイミド300によって集積回路基板200に接着され、かつ配線400によって電気的に接続される。面発光レーザ100Bの構成はすでに説明したとおりである。この場合、MSMフォトダイオードの場合と異なり、導電層を受光部にも含むため、各受光部を分離する必要があることと、集積回路基板200と光入出力基板100とを接着する際に光入出力基板100の接着する面に絶縁膜132を蒸着していることが、これまでの具体例と異なっている。
【0059】
これまで説明した具体例では、GaAs/AlGaAsで光スイッチを構成したが、これに限るものではなく、InGaAs/InP、InAlAs/InGaAs、GaAs/InGaAs等の他の材料系も用いることができる。集積回路基板もシリコンのほかに、GaAs, InP等使用できることは言うまでもない。
【0060】
また、以上の実施例では、光スイッチアレイについてのみ記載したが、光スイッチアレイ以外の他の3次元集積回路の構成にも本発明が有効であることは明らかである。なお、本発明は、ポリイミド等の絶縁膜上に集積化される素子がそれぞれ異なる層構造を有しない場合にも、各素子を分離できるので、素子間の電気的分離(アイソレーション)が容易になるという利点がある。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体集積回路の製造方法は、集積回路基板の持つ高速、高機能性と、光入出力基板の持つ高並列、高速性を合わせ持った半導体集積回路を製造できるという特長を持っている。これらの素子を多段に光により接続することにより、将来の光情報処理素子、LSIの光インターコネクション用素子として非常に有望になる。
【0062】
また、本発明によると、異なる層構造を有する半導体素子からなる3次元半導体集積回路の形成が可能になる。さらに、素子間のアイソレーションに優れた3次元半導体集積回路の提供も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による素子の断面構造を示す図である。
【図2】本発明の素子の特性を示す図である。
【図3】光入出力基板の一例の断面図である。
【図4】第1の実施例の光スイッチの作製法を示す図である。
【図5】光入出力基板の他の例の断面図である。
【図6】第2の実施例の光スイッチの作製法を示す図である。
【図7】選択エッチングを用いない場合の実施例の断面図である。
【図8】本発明素子の他の具体例の作製法を示す図である。
【図9】電気回路を形成する光入出力基板の断面図である。
【図10】光入出力基板にも電気回路を形成した実施例の作製法を示す図である。
【図11】受光素子としてpinフォトダイオードを用いた具体例の断面図である。
【図12】従来例の断面図である。
【図13】従来例の特性図である。
【符号の説明】
101 半絶縁性GaAs基板
102 選択エッチング用AlAs層
103 n+−GaAsコンタクト層
104 n−DBR層
105 活性層
106 p−DBR層
107 i−GaAs光吸収層
110 p型電極
111 n型電極
112 ショットキ電極
113 配線用金属
120 p+−GaAsコンタクト層
121 選択エッチングInGaP層
122 n+−GaAsコンタクト層
123 n- −GaAsチャネル層
130 p−GaAs層
131 n−GaAs層
132 絶縁膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit in which semiconductor elements are three-dimensionally integrated.
[0002]
[Prior art]
Three-dimensional integration of semiconductor elements is important for increasing the degree of integration of semiconductor integrated circuits, and is an extremely important basic technology for the construction of optical switch arrays. Development of optical switch arrays is highly desired as a key device for optical signal processing and optical information processing. Conventionally, as this type of device, as seen in, for example, the document “IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS Vol. 7, p. 360 (1995)”, a multiple quantum well type pin diode is mounted on a silicon integrated circuit substrate by solder bumps, An element called “hybrid seed (H-SHEED)” has been proposed in which a quantum well pin diode is used as a light receiving element or an optical modulator to input and output light and to perform a logic function in a silicon integrated circuit. In this element, an input optical signal incident on an input multiple quantum well pin diode is converted into an electric signal, transmitted to a silicon integrated circuit substrate and electrically processed, and then applied to an output multiple quantum well pin diode. Control the voltage. At this time, the output multiple quantum well pin diode can control the reflection intensity of light biased at a constant intensity by the quantum confined Stark effect according to the voltage change. The configuration is shown in FIG. 12, and the characteristics are shown in FIG.
[0003]
As shown in FIG. 12A, the epitaxial substrate 10 includes a p-AlGaAs layer 12, an i-MQW layer 13, and (n--GaAs layer and n+-GaAs layer) 14 are sequentially laminated to form a light modulation section in which a Be ion implantation layer 15 and a Ti / Au film 16 as a reflection layer are formed. The p-side and n-side electrodes are on the same plane, and solder 17 is formed on the Be ion-implanted layer 15 and the Ti / Au film 16. On the other hand, an Al: Ti / Pt / Au film 21 for improving wettability is formed on the surface of the silicon integrated circuit substrate 20 on which the CMOS is formed, and a solder 17 is provided thereon. The two substrates are joined by solder bumps as shown in FIG. 12B, and the optical modulator is mounted on the silicon integrated circuit substrate. After bonding, the periphery of the bonded portion is filled with epoxy resin 18, and then the GaAs substrate is removed. The epoxy resin can then be removed. Finally, as shown in FIG. 12C, an anti-reflection coating 19 is applied to obtain an optical modulator integrated with silicon CMOS. This conventional example has a 2-input 2-output switch function.
[0004]
FIG. 13 shows the relationship between the gate-source voltage and the reflectivity in the hybrid seed device thus prepared. Switching operation is possible by controlling the gate-source voltage of the CMOS.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical switch array described above has the following problems.
[0006]
First, since a multiple quantum well pin diode is used as the light modulator, the extinction ratio is low and the loss is large.
[0007]
Second, since it is necessary to make bias light incident on the light modulator, the optical system becomes complicated.
[0008]
Third, since the operating voltage of the light modulator is as large as about 10 V, the response speed is slow.
[0009]
Fourthly, the operating wavelength of the modulator using the quantum confined Stark effect is limited to a few nm, and the operating wavelength of the modulator fluctuates due to heat generated from the silicon integrated circuit, so that the wavelength of the bias light to the light source is limited. However, it is necessary to control the element at a constant temperature.
[0010]
On the other hand, the method for constructing a three-dimensional structure of an electronic device and an optical device using solder bumps as in the conventional device described above has the following problems.
[0011]
That is, for example, when optical elements having different layer structures, such as a light receiver and a surface emitting laser, are simultaneously arranged on a silicon integrated circuit, each optical element has a different structure, so that they are formed on the same substrate. Therefore, it is necessary to place each element separately on the silicon integrated circuit by solder bumps. Such individual mounting involves the following difficulties.
[0012]
First, since the solder bumps must be performed a plurality of times, the process becomes complicated.
[0013]
Secondly, in the optical switch array, the relative position of each optical element must match the predetermined positional relationship of the incoming and outgoing light. However, the individual optical elements can be obtained by performing solder bumps for each individual optical element. It is difficult to accurately determine the relative position between them. Therefore, it is difficult to make the positional relationship of each optical element coincide with the positional relationship of the incoming and outgoing light.
[0014]
An object of the present invention is to realize a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit that solves the above-described problems associated with conventional optical switch arrays. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing an optical switch array having a large extinction ratio, a simple optical system, a high response speed, and a large operation margin.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  According to the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit of the present invention, a selective etching layer, a contact layer, a first DBR layer, an active layer, a second DBR layer, and a light absorption layer are epitaxially grown in this order on one main surface of a compound semiconductor substrate. An optical input / output substrate having a laminate formed thereon and a silicon integrated circuit substrate on which a semiconductor element is integrated on one main surface and a metal layer for electrical connection and a metal layer for heat dissipation are formed. The surface of the output substrate on which the laminated body is formed and the surface of the silicon integrated circuit substrate on which the semiconductor elements are integrated are opposed to each other via an insulating adhesive layer made of an organic material, A first step of removing the compound semiconductor substrate and the selective etching layer by polishing and chemical etching;Following the first step,A second step of processing the laminated body to form a light emitting element and a light receiving element, and forming respective electrodes of the light emitting element and the light receiving element, a semiconductor element on the silicon integrated circuit substrate, the light emitting element, and Forming a through hole for connecting each electrode of the light receiving element, filling the through hole with a metal and electrically connecting the third step, and the second step includes the contact layer and Processing the first DBR layer, the active layer, and the second DBR layer to form a light emitting element portion; and forming electrodes on the contact layer and the second DBR layer of the formed light emitting element portion Forming a light emitting element, and forming a light receiving element by forming an electrode on the light absorption layer exposed by the step of forming the light emitting element portion.
[0016]
    Further, a light input / output in which a stacked body is formed on one main surface of the compound semiconductor substrate by epitaxial growth in the order of a selective etching layer, a light absorption layer, a first DBR layer, an active layer, a second DBR layer, and a contact layer. A first step of bonding the surface of the substrate on which the laminate is formed and a quartz substrate using wax, and removing the compound semiconductor substrate and the selective etching layer of the optical input / output substrate by polishing and chemical etching; A semiconductor element is integrated on one main surface of the surface of the optical input / output substrate from which the compound semiconductor substrate and the selective etching layer are removed, and a metal layer for electrical connection and a metal layer for heat dissipation are patterned. The silicon integrated circuit substrate is bonded to the surface on which the semiconductor elements are integrated with an insulating adhesive layer made of an organic material, and the wafer is heated by heating. A second step of removing the quartz substrate by dissolving scan,Following the second step,A third step of processing the laminate to form a light emitting element and a light receiving element, and forming respective electrodes of the light emitting element and the light receiving element; a semiconductor element on the silicon integrated circuit substrate; the light emitting element; Forming a through hole for connecting each electrode of the light receiving element, filling the through hole with a metal and electrically connecting the fourth step, and the third step includes the contact layer and Processing the second DBR layer, the active layer, and the first DBR layer to form a light emitting element portion, and forming electrodes on the contact layer and the first DBR layer of the formed light emitting element portion Forming a light emitting element, and forming a light receiving element by forming an electrode on the light absorption layer exposed by the step of forming the light emitting element portion.
[0017]
  In addition, compound semiconductor substrateA stacked body is formed on one main surface by epitaxial growth in the order of a selective etching layer, a light absorbing layer, a first DBR layer, an active layer, a second DBR layer, and a contact layer, and the stacked body is processed.A plurality of light emitting elements, a plurality of light receiving elements and respective electrodes are formed.A first step of forming an optical input / output substrate;SaidOptical input / outputThe surface of the substrate on which the plurality of light emitting elements and the plurality of light receiving elements and each electrode are formed and the quartz substrate are bonded together using wax,Of the optical input / output substrateCompound semiconductor substrateAnd the selective etching layerRemoved by polishing and chemical etchingAnd removing the compound semiconductor substrate and the selective etching layer of the optical input / output substrate.The surface on which the semiconductor element is integrated on one main surface and the surface on which the semiconductor element of the silicon integrated circuit substrate on which the metal layer for electrical connection and the metal layer for heat dissipation are patterned are integrated, Positioning using infrared light, bonding through an insulating adhesive layer made of an organic material, melting the wax by heating, and removing the quartz substrateThe third stepForming a through hole for connecting the semiconductor element on the silicon integrated circuit substrate to each of the electrodes of the plurality of light emitting elements and the plurality of light receiving elements, and filling the through hole with a metal for electrical connection.A fourth step, wherein the first step forms the light emitting element portion by processing the contact layer, the second DBR layer, the active layer, and the first DBR layer; Forming electrodes on the contact layer and the first DBR layer of the formed light emitting element portion to form a light emitting element, and forming electrodes on the light absorbing layer exposed by the step of forming the light emitting element portion And forming a light receiving element.It is characterized by that.
[0018]
  Further, on one main surface of the compound semiconductor substrate, a first selective etching layer, a contact layer, a first DBR layer, an active layer, a second DBR layer, a second selective etching layer, an FET element constituent layer, An optical input / output substrate in which a laminated body is formed by epitaxial growth in the order of a light absorption layer, and a silicon integrated circuit substrate in which semiconductor elements are integrated on one main surface and a metal layer for electrical connection and a metal layer for heat dissipation are patterned And the surface of the optical input / output substrate on which the stacked body is formed and the surface of the silicon integrated circuit substrate on which the semiconductor elements are integrated are opposed to each other via an insulating adhesive layer made of an organic material, A first step of removing the compound semiconductor substrate and the first selective etching layer of the optical input / output substrate by polishing and chemical etching;Following the first step,A second step of forming the light emitting element, the FET element, and the light receiving element by processing the laminate, and forming electrodes of the light emitting element, the FET element, and the light receiving element; and a semiconductor on the silicon integrated circuit substrate. Forming a through hole for connecting an element to each electrode of the light emitting element, the FET element, and the light receiving element, and filling the through hole with metal to electrically connect the third step, The second step is a step of processing the contact layer, the first DBR layer, the active layer, and the second DBR layer to form a light emitting element portion and exposing the second selective etching layer; Etching the exposed second selective etching layer to expose the FET element constituent layer, and processing the exposed FET element constituent layer to form an FET element part Forming a light emitting element by forming an electrode on the contact layer and the second DBR layer of the formed light emitting element part, and forming an FET element by forming an electrode on the formed FET element part And a step of forming a light receiving element by forming an electrode on the light absorption layer exposed by the step of forming the FET element portion.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the present invention. An optical input / output substrate 100 is integrated with an insulating layer 300 on an integrated circuit substrate 200 in which semiconductor elements such as MOSFETs, transistors, and diodes are integrated on one main surface. The light input / output substrate 100 is provided with a plurality of light receiving elements 100A and a vertical cavity surface emitting laser (hereinafter referred to as a surface emitting laser) 100B. The insulating layer 300 is provided with a window, and the light receiving element 100 </ b> A and the surface light emitting element 100 </ b> B are connected to the metal wiring 200 </ b> A of the integrated circuit substrate 200 through the window through the wiring 400. Reference numerals 100C and 100D denote wirings of the light receiving element 100A and the surface light emitting element 100B, respectively. This element converts the light input by the light receiving element 100A into an electrical signal, performs processing such as amplification and switching with a semiconductor element integrated on the integrated circuit board 200, and uses the processing result as a current output. The light can be transmitted to the light emitting laser 100B and its operation can be controlled.
[0020]
FIG. 2 shows the operating characteristics of this element. In the example of FIG. 2, the result of synchronizing, amplifying, and shaping the input signal is shown. In the case of the element of the present invention, various processing is possible by the processing function of the integrated circuit board. Besides this example, 2 × 2 switching, various arithmetic processing, image processing, and the like can be given.
[0021]
In the optical switch array according to the present invention, since the vertical cavity surface emitting laser is used as the optical modulator, no bias light is required and high contrast is obtained, so that the optical system is simplified. Further, since an operating voltage of about 3V is sufficient, a high speed operation can be realized. In addition, when the element of the present invention is configured in multiple stages and processing such as optical interconnection is performed by performing optical connection such that the output light from the previous stage is input light, the surface emitting laser has an oscillation wavelength of film thickness Although it is very sensitive to fluctuations in the light and difficult to control, if a pin diode, MSM photodiode, or the like is used as the light receiving portion, almost uniform light sensitivity can be obtained over a wide wavelength range of 100 nm or more. There is also a feature that there is no limitation on the oscillation wavelength of the light emitting laser, which is advantageous for multistage.
[0022]
If an optical switch array as described above is to be manufactured, the layer structure of the vertical cavity surface emitting laser and the light receiver are different, and thus cannot be formed simultaneously on a single substrate. The technology cannot be used. In order to solve this problem, according to the present invention, a semiconductor element such as a vertical resonator is disposed on a semiconductor substrate in which a semiconductor element is integrated on one main surface via an insulating layer. Wiring is provided between a semiconductor element integrated on the semiconductor substrate and a vertical resonator disposed on the insulating layer through a window formed in the layer.
[0023]
As an insulating layer, polyimide or SiO2However, all have the ability to bond semiconductors by an appropriate process. Therefore, the three-dimensional arrangement of the semiconductor element is facilitated by using these insulating layers as the adhesive layer. Further, since it is insulative, wiring can be easily performed on the adhesive layer, and therefore, necessary wiring can be applied to the elements arranged on the integrated circuit. For example, when a layer structure for a laser and a layer structure for a light receiver are stacked on a single substrate and bonded to a semiconductor integrated circuit with an insulating adhesive layer, each layer is etched by etching as shown in FIG. Necessary wiring can be easily performed after exposing the structure as necessary.
[0024]
【Example】
Example 1  When the growth surface of the optical input / output substrate is bonded to the integrated circuit substrate side
A first specific example in which the present invention is applied to an optical switch array is shown in FIGS.
[0025]
FIG. 3 is a sectional view of an optical input / output substrate when a GaAs / AlGaAs multiple quantum well is used for the active layer. On the semi-insulating GaAs substrate 101, an AlAs layer 102 for selective etching, n+A −GaAs contact layer 103, an n-DBR (Distributed Bragg Reflector) layer 104, an active layer 105, a p-DBR layer 106, and an i-GaAs light absorption layer 107 were sequentially formed by molecular beam epitaxial growth. Be and Si were used for the p-type and n-type dopants, respectively. Here, the n-DBR layer is n-AlAs (71.5 nm) / n-Al0.15Ga0.85It has a structure in which As (62.9 nm) is alternately stacked for 25 periods, and the p-DBR layer is p-AlAs (71.5 nm) / p-Al0.15Ga0.85It has a structure in which As (62.9 nm) is alternately stacked for 30 periods.
[0026]
FIG. 4 shows a method for manufacturing an optical switch. First, as shown in FIG. 4A, the growth layer 100E of the optical input / output substrate 100 is bonded with an adhesive 300 toward the main surface of the silicon integrated circuit substrate 200 on which the semiconductor elements are integrated. In this case, polyimide is applied as an adhesive to the bonding surfaces of both substrates by spin coating to prevent bubbles from entering. Then, both substrates are bonded together and cured by heat treatment at a high temperature while applying a load. In the bonding procedure, first, temporary bonding is performed at a temperature of about 150 ° C., and the GaAs substrate 101 is divided into sizes of about one chip. Thereafter, it is finally cured at 350 ° C. This is to prevent the substrate from warping due to the difference in thermal expansion coefficient between silicon and GaAs when the substrate becomes larger than 2 inches. At this time, when a thick metal film 200A for electrical connection and cooling is formed on the integrated circuit board 200, the metal film 200A is subjected to a load when the polyimide 300 interposed between the optical input / output board 100 is bonded. As a result, as shown in FIG. 4B, the optical input / output substrate 100 comes into direct contact.
[0027]
Thereafter, the GaAs substrate 101 is polished to a thickness of about 50 μm, and the PA30 solution (H2O2  : NHThreeOnly GaAs substrate 101 is selectively etched by OH = 30: 1), and etching is stopped by AlAs layer 102. Next, only the AlAs layer 102 is selectively etched with hydrochloric acid, and n as shown in FIG.+The GaAs contact layer 103 is exposed on the surface. FIG. 4C 'is an enlarged view showing the growth layer in this state.
[0028]
Next, as shown in FIG. 4D, the optical input / output substrate is processed to form the surface emitting laser 100B and the SMS photodetector 100A. FIG. 4D 'is an enlarged view of the surface emitting laser section. AuZnNi was used as the p-type electrode 110 of the surface emitting laser, AuGeNi was used as the n-type electrode 111, and Ti / Pt / Au was used as the Schottky electrode 112 of the photodetector.
Thereafter, as shown in FIG. 4E, through-holes are opened by etching until the metal film 200A is exposed at the portion of the optical input / output substrate 100 where electrical wiring between the two substrates is performed. The SMS photodetector portion is also defined.
[0029]
Then, the inter-element wiring metal 400 is formed by plating, and the wiring 113 is applied to obtain the structure shown in FIG.
[0030]
When solder bumps are used as in the conventional example, the electrodes must be formed on the surface of the substrate on which the laser and the light receiver are laminated, so that it is difficult to form the electrodes on either one of the elements. For example, when the stacked structure as shown in FIG. 3 is used, it is difficult to form an electrode in a laser structure including the p-DBR layer 106, the active layer 105, and the n-DBR layer 104. However, such a problem does not occur in the structure of the present invention. The thick metal film 200A on the integrated circuit substrate 200 has an effect of reducing a step difference in electrical connection between the two substrates, an effect of preventing light from entering the integrated circuit substrate from the light receiving element and the light emitting element, and the light input / output substrate. This has the effect of removing the generated heat through the metal film.
[0031]
Actually, a two-dimensional array of 8 × 8 = 64 pixels having MSM-PD, three MESFETs, and a surface emitting laser in one pixel is fabricated, and 0.1 mW, 200 MHz input light is supplied to the MSD-PD in the 850 nm wavelength band. It was confirmed that the operation of inputting 1 mW output light from the surface emitting laser in parallel to all the pixels is performed in parallel.
[0032]
Further, the number of surface emitting lasers and light receiving elements is not limited to one for each processing unit (cell) in the integrated circuit, and there may be a plurality of input / output elements.
[0033]
In this embodiment, the plating is used to form the inter-element wiring metal. However, the present invention is not limited to this, and the step may be filled by selective growth using, for example, tungsten. In addition, polyimide is used for bonding both substrates, but the present invention is not limited to this, and various adhesives such as an epoxy type may be used.2It is also possible to bond dielectrics such as.
[0034]
An optical input / output substrate is formed on a semi-insulating GaAs substrate 101, an AlAs layer for selective etching, p.+-A GaAs contact layer, a p-DBR layer, an i-GaAs / AlGaAs active layer, an n-DBR layer, and an i-GaAs light absorption layer are stacked in this order, and the polarities of p and n of the DBR layer of the surface emitting laser are interchanged. Good. In this case, the p-DBR layer has a 25-layer structure, and the n-DBR layer has a 30-layer structure. This is because the output light can be obtained on the output side with high efficiency by setting the reflectivity of the DBR mirror on the integrated circuit board side higher than the reflectivity of the DBR mirror on the output side. The same applies to the following embodiments.
[0035]
Example 2  When the growth surface of the optical I / O substrate is bonded opposite to the integrated circuit substrate side
(Part 1)When processing optical input / output substrates after bonding substrates
5 to 7 show a second specific example in which the present invention is applied to an optical switch array.
[0036]
FIG. 5 is a sectional view of an optical input / output substrate when a GaAs / AlGaAs multiple quantum well is used for the active layer. On the semi-insulating GaAs substrate 101, an AlAs layer for selective etching 102, an i-GaAs light absorption layer 107, a p-DBR layer 106, an i-GaAs / AlGaAs active layer 105, an n-DBR layer 104, and n+The -GaAs contact layer 103 was sequentially formed by molecular beam epitaxial growth. The stacking order of the light receiving element constituent layer and the light emitting element constituent layer is reversed from that of the first embodiment. Here, similarly to Example 1, the n-DBR layer has a structure in which 30 cycles are stacked, and the p-DBR layer has a structure in which 25 cycles are stacked.
[0037]
FIG. 6 shows a method for creating an optical switch. First, as shown in FIG. 6A, the optical input / output substrate 100 is attached to a flat quartz plate 400 with a wax 500 with the growth layer 100E facing up.
[0038]
Next, as shown in FIG. 6B, after the GaAs substrate 101 is polished to a thickness of about 50 μm, only the GaAs substrate is etched with a citric acid solution, and the etching is stopped with the AlAs layer 102. Next, only the AlAs layer 102 is selectively etched with hydrochloric acid.
[0039]
Next, as shown in FIG. 6C, bonding to the integrated circuit substrate 200 is performed using polyimide 300. First, the polyimide is cured by baking at about 100 ° C.
[0040]
At this time, since the wax existing between the quartz plate 400 and the optical input / output substrate 100 is melted by heat, the integrated circuit substrate 200 and the growth layer 100E of the optical input / output substrate are joined together as shown in FIG. Remove from. Thereafter, the polyimide is finally cured at a high temperature of about 300 ° C. This state is the same as that in FIG. 4C of the first embodiment, and thereafter, the device can be manufactured in the same manner as in the first embodiment.
[0041]
In this case, it is not necessary to expose the i-GaAs light absorption layer by selective etching, and the semi-insulating GaAs substrate 101 may remain attached to the integrated circuit substrate 200. An example of this is shown in FIG.
[0042]
(Part 2)When bonding optical input / output boards after processing
FIG. 8 shows a third specific example of the optical switch array to which the present invention is applied. The optical input / output substrate is the same as that of the second specific example shown in FIG.
[0043]
FIG. 8 shows a method for manufacturing an optical switch. First, after the surface emitting laser 100B and the MSM photodiode 100A are processed without processing the semi-insulating GaAs substrate 101, the flat quartz plate 400 and the processed surface face each other as shown in FIG. Bonding with wax 500. FIG. 8A is an enlarged view of the optical input / output substrate.
[0044]
Next, as shown in FIG. 8B, the GaAs substrate is polished to a thickness of about 50 μm, then only the GaAs substrate is etched with the PA30 solution, the etching is stopped with the AlAs layer, and only the AlAs layer is removed with hydrochloric acid. Selectively etch.
[0045]
Next, as shown in FIG. 8C, after polyimide 300 is applied to both substrates, the circuit patterns of the integrated circuit substrate 200 and the optical input / output substrate 100 are monitored using an infrared camera (CCD camera). Then, the two substrates are aligned using the fine moving table 600 and bonded together.
[0046]
Next, as in the case of (Part 1), the polyimide is cured at about 100 ° C., and at the same time, after removing both substrates from the quartz plate, the polyimide 300 is finally cured by raising the temperature to 300 ° C., The structure shown in FIG. 8D is obtained. This state is the same as that shown in FIG. 4D, and the same process as in the previous specific example is performed thereafter.
[0047]
In this case, as in the second specific example, it is not necessary to expose the i-GaAs light absorption layer by selective etching, and the semi-insulating GaAs substrate 101 may be stuck to the integrated circuit substrate 200 while remaining.
[0048]
Example 3  When an electric circuit is also formed on the optical input / output board
In the above embodiments, the light input / output substrate 100 includes a surface emitting laser and a photodetector. However, the light input / output substrate 100 may include an electric circuit such as an FET. Here, an example in which an optical switch is configured by the same method as in the first specific example will be described. The FET can be configured by epitaxial growth as described below, or by ion implantation.
[0049]
FIG. 9 is a sectional view of an optical input / output substrate when a GaAs / AlGaAs multiple quantum well is used for the active layer.
[0050]
On the semi-insulating GaAs substrate 101, an AlAs layer 102 for selective etching, p+-GaAs contact layer 120, p-DBR layer 106, i-GaAs / AlGaAs active layer 105, n-DBR layer 104, n-InGaP layer 121 (10 nm) as a selective etching layer, n as an FET contact layer+-GaAs layer 122 (0.4 μm), n as FET channel layer-A −GaAs channel layer 123 (0.2 μm) and an i-GaAs light absorption layer 107 (2 μm) were sequentially formed by molecular beam epitaxy. Be and Si were used for the p-type and n-type dopants, respectively. Here, the p-DBR layer is p-AlAs (71.5 nm) / p-Al.0.15Ga0.85It has a structure in which As (62.9 nm) is alternately stacked for 25 periods, and the n-DBR layer is n-AlAs (71.5 nm) / n-Al0.15Ga0.85It has a structure in which As (62.9 nm) is alternately stacked for 30 periods.
[0051]
This is processed as shown in FIG. 10 to produce an optical switch.
[0052]
First, as shown in FIG. 10A, in the same manner as in the first embodiment, the optical input / output substrate 100 is bonded onto the integrated circuit substrate 200 using the polyimide 300, and then the epitaxial growth layer is formed by polishing and etching. Leave only 100E. FIG. 10A is an enlarged sectional view of the growth layer.
[0053]
Next, as shown in FIG. 10B, mesa etching of the surface emitting laser unit 100B is performed. FIG. 10B 'is an enlarged cross-sectional view of the surface emitting laser section. At this time, the mesa depth reaches the InGaP layer 121 by selective etching.
[0054]
In the FET process, as shown in FIG. 10C, after the InGaP layer 121 is etched, mesa etching of the FET 100F is performed up to the i-GaAs light absorption layer 107. Then n+-Source and drain electrodes 124 are formed on the GaAs contact layer 122. Recess etching is n-The process is performed up to the GaAs channel layer 123, and then the gate electrode 125 is formed. At this time, the electrodes of the MSM photodetector 100A are also formed.
[0055]
Finally, as shown in FIG. 10D, electrical wiring 400 with the integrated circuit board 200 is provided.
[0056]
In this way, when an electric circuit is also configured on the optical input / output substrate, an FET having a larger gain than Si can be created, and the surface emitting laser can be driven with only a small voltage amplitude in the integrated circuit, The burden on the integrated circuit board can be reduced, and a faster response is possible.
[0057]
In the above-described specific examples, the example in which the MSM photodiode is used as the light receiving element has been described. However, the semi-invention element can be configured by using a pin photodiode, a photoconductor, or the like as the light receiving part.
[0058]
Example 4
An example created using a pin photodiode is shown in FIG. As shown in the figure, the pin photodiode 100G includes an n-GaAs layer 131, an i-GaAs light absorption layer 107, and a p-GaAs layer 130. The pin photodiode 100G is bonded to the integrated circuit substrate 200 with polyimide 300 through an insulating film 132. And are electrically connected by the wiring 400. The configuration of the surface emitting laser 100B is as described above. In this case, unlike the case of the MSM photodiode, since the conductive layer is also included in the light receiving portion, it is necessary to separate each light receiving portion, and when the integrated circuit substrate 200 and the optical input / output substrate 100 are bonded together, The insulating film 132 is vapor-deposited on the surface to be bonded to the input / output substrate 100, which is different from the specific examples so far.
[0059]
In the specific examples described so far, the optical switch is composed of GaAs / AlGaAs, but the present invention is not limited to this, and other material systems such as InGaAs / InP, InAlAs / InGaAs, and GaAs / InGaAs can also be used. It goes without saying that GaAs, InP, etc. can be used as the integrated circuit substrate in addition to silicon.
[0060]
In the above embodiment, only the optical switch array has been described. However, it is apparent that the present invention is effective for the configuration of other three-dimensional integrated circuits other than the optical switch array. In the present invention, each element can be separated even when elements integrated on an insulating film such as polyimide do not have different layer structures, so that electrical isolation (isolation) between the elements is easy. There is an advantage of becoming.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, the semiconductor integrated circuit manufacturing method according to the present invention can manufacture a semiconductor integrated circuit that combines the high speed and high functionality of an integrated circuit substrate with the high parallel and high speed of an optical input / output substrate. It has the feature. By connecting these elements in multiple stages with light, it becomes very promising as a future optical information processing element and an optical interconnection element for LSI.
[0062]
In addition, according to the present invention, it is possible to form a three-dimensional semiconductor integrated circuit composed of semiconductor elements having different layer structures. Furthermore, it is possible to provide a three-dimensional semiconductor integrated circuit excellent in isolation between elements.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of an element according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing characteristics of the element of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an example of an optical input / output substrate.
FIG. 4 is a diagram showing a method for manufacturing the optical switch of the first embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view of another example of an optical input / output substrate.
FIG. 6 is a diagram showing a method for manufacturing the optical switch of the second embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view of an embodiment in the case where selective etching is not used.
FIG. 8 is a diagram showing a method for manufacturing another specific example of the element of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of an optical input / output substrate forming an electric circuit.
FIG. 10 is a diagram showing a manufacturing method of an embodiment in which an electric circuit is also formed on an optical input / output substrate.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a specific example using a pin photodiode as a light receiving element.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional example.
FIG. 13 is a characteristic diagram of a conventional example.
[Explanation of symbols]
101 Semi-insulating GaAs substrate
102 AlAs layer for selective etching
103 n+-GaAs contact layer
104 n-DBR layer
105 Active layer
106 p-DBR layer
107 i-GaAs light absorption layer
110 p-type electrode
111 n-type electrode
112 Schottky electrode
113 Metal for wiring
120 p+-GaAs contact layer
121 Selective etching InGaP layer
122 n+-GaAs contact layer
123 n--GaAs channel layer
130 p-GaAs layer
131 n-GaAs layer
132 Insulating film

Claims (4)

化合物半導体基板の一方の主面上に、選択エッチング層、コンタクト層、第1のDBR層、活性層、第2のDBR層、光吸収層の順にエピタキシャル成長によって積層体を形成した光入出力基板と、
一方の主面上に半導体素子が集積され、かつ電気接続用金属層および放熱用金属層がパタン形成されたシリコン集積回路基板とを、
前記光入出力基板の前記積層体を形成した面と前記シリコン集積回路基板の半導体素子が集積された面とを対向させて有機材料からなる絶縁性の接着層を介して貼り合わせ、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を研磨および化学エッチング法により除去する第一の工程と、
前記第一の工程に引き続き、前記積層体を加工して発光素子および受光素子とを形成し、当該発光素子および受光素子の各々の電極を形成する第二の工程と、
前記シリコン集積回路基板上の半導体素子と前記発光素子および受光素子の各々の電極とを接続するためのスルーホールを形成し、前記スルーホールを金属で埋めて電気的に接続させる第三の工程とを備え、
前記第二の工程は、前記コンタクト層と前記第1のDBR層と前記活性層と前記第2のDBR層とを加工して発光素子部を形成する工程と、形成した発光素子部の前記コンタクト層と前記第2のDBR層とに電極を形成して発光素子を形成する工程と、前記発光素子部を形成する工程によって露出した前記光吸収層に電極を形成して受光素子を形成する工程とを含む
ことを特徴とする半導体集積回路の製造方法。
A light input / output substrate in which a stacked body is formed on one main surface of the compound semiconductor substrate by epitaxial growth in the order of a selective etching layer, a contact layer, a first DBR layer, an active layer, a second DBR layer, and a light absorption layer; ,
A silicon integrated circuit substrate in which a semiconductor element is integrated on one main surface, and a metal layer for electrical connection and a metal layer for heat dissipation are patterned;
The surface of the optical input / output substrate on which the laminated body is formed and the surface of the silicon integrated circuit substrate on which the semiconductor elements are integrated are opposed to each other via an insulating adhesive layer made of an organic material, A first step of removing the compound semiconductor substrate and the selective etching layer of the output substrate by polishing and chemical etching;
Subsequent to the first step, the laminate is processed to form a light emitting element and a light receiving element, and a second step of forming each electrode of the light emitting element and the light receiving element;
A third step of forming a through hole for connecting the semiconductor element on the silicon integrated circuit substrate and each electrode of the light emitting element and the light receiving element, filling the through hole with metal and electrically connecting the through hole; With
The second step includes a step of processing the contact layer, the first DBR layer, the active layer, and the second DBR layer to form a light emitting element portion, and the contact of the formed light emitting element portion. Forming a light emitting element by forming an electrode on the layer and the second DBR layer, and forming a light receiving element by forming an electrode on the light absorption layer exposed by the step of forming the light emitting element portion A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit, comprising:
化合物半導体基板の一方の主面上に、選択エッチング層、光吸収層、第1のDBR層、活性層、第2のDBR層、コンタクト層の順にエピタキシャル成長によって積層体を形成した光入出力基板の前記積層体を形成した面と石英基板とをワックスを用いて貼り合わせ、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を研磨および化学エッチング法により除去する第一の工程と、
前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を除去した面と、一方の主面上に半導体素子が集積され、かつ電気接続用金属層および放熱用金属層がパタン形成されたシリコン集積回路基板の半導体素子が集積された面とを対向させて有機材料からなる絶縁性の接着層を介して貼り合わせ、加熱により前記ワックスを溶かして前記石英基板を取り外す第二の工程と、
前記第二の工程に引き続き、前記積層体を加工して発光素子および受光素子とを形成し、当該発光素子および受光素子の各々の電極を形成する第三の工程と、
前記シリコン集積回路基板上の半導体素子と前記発光素子および受光素子の各々の電極とを接続するためのスルーホールを形成し、
前記スルーホールを金属で埋めて電気的に接続させる第四の工程とを備え、
前記第三の工程は、前記コンタクト層と前記第2のDBR層と前記活性層と前記第1のDBR層とを加工して発光素子部を形成する工程と、形成した発光素子部の前記コンタクト層と前記第1のDBR層とに電極を形成して発光素子を形成する工程と、前記発光素子部を形成する工程によって露出した前記光吸収層に電極を形成して受光素子を形成する工程とを含む
ことを特徴とする半導体集積回路の製造方法。
An optical input / output substrate in which a stacked body is formed on one main surface of a compound semiconductor substrate by epitaxial growth in the order of a selective etching layer, a light absorption layer, a first DBR layer, an active layer, a second DBR layer, and a contact layer. A first step of bonding the surface on which the laminate is formed and a quartz substrate together using wax, and removing the compound semiconductor substrate and the selective etching layer of the optical input / output substrate by polishing and chemical etching;
The surface of the optical input / output substrate from which the compound semiconductor substrate and the selective etching layer have been removed, and silicon on which the semiconductor elements are integrated on one main surface, and the metal layer for electrical connection and the metal layer for heat dissipation are patterned. A second step of attaching the semiconductor element of the integrated circuit substrate facing each other through an insulating adhesive layer made of an organic material, and dissolving the wax by heating to remove the quartz substrate;
Subsequent to the second step, the laminated body is processed to form a light emitting element and a light receiving element, and a third step of forming each electrode of the light emitting element and the light receiving element;
Forming a through hole for connecting the semiconductor element on the silicon integrated circuit substrate and each electrode of the light emitting element and the light receiving element;
A fourth step of filling the through hole with metal and electrically connecting it,
The third step includes a step of processing the contact layer, the second DBR layer, the active layer, and the first DBR layer to form a light emitting element portion, and the contact of the formed light emitting element portion. Forming a light emitting element by forming an electrode on the layer and the first DBR layer, and forming a light receiving element by forming an electrode on the light absorbing layer exposed by the step of forming the light emitting element portion A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit, comprising:
化合物半導体基板の一方の主面上に、選択エッチング層、光吸収層、第1のDBR層、活性層、第2のDBR層、コンタクト層の順にエピタキシャル成長によって積層体を形成し、前記積層体を加工して複数の発光素子および複数の受光素子ならびに各々の電極を形成して光入出力基板を形成する第一の工程と、
前記光入出力基板の前記複数の発光素子および複数の受光素子ならびに各々の電極を形成した面と石英基板とをワックスを用いて貼り合わせ、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を研磨および化学エッチング法により除去する第二の工程と、
前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記選択エッチング層を除去した面と、一方の主面上に半導体素子が集積され、かつ電気接続用金属層および放熱用金属層がパタン形成されたシリコン集積回路基板の半導体素子が集積された面とを対向させて、赤外光を用いて位置決めを行い、有機材料からなる絶縁性の接着層を介して貼り合わせ、加熱により前記ワックスを溶かして、前記石英基板を取り外す第三の工程と、
前記シリコン集積回路基板上の半導体素子と前記複数の発光素子および複数の受光素子の各々の電極とを接続するためのスルーホールを形成し、前記スルーホールを金属で埋めて電気的に接続させる第四の工程とを備え、
前記第一の工程は、前記コンタクト層と前記第2のDBR層と前記活性層と前記第1のDBR層とを加工して発光素子部を形成する工程と、形成した発光素子部の前記コンタクト層と前記第1のDBR層とに電極を形成して発光素子を形成する工程と、前記発光素子部を形成する工程によって露出した前記光吸収層に電極を形成して受光素子を形成する工程とを含む
ことを特徴とする半導体集積回路の製造方法。
On one main surface of the compound semiconductor substrate, a stacked body is formed by epitaxial growth in the order of a selective etching layer, a light absorbing layer, a first DBR layer, an active layer, a second DBR layer, and a contact layer. A first step of processing to form a light input / output substrate by forming a plurality of light emitting elements and a plurality of light receiving elements and respective electrodes;
The plurality of light emitting elements and the plurality of light receiving elements of the light input / output substrate and the surfaces on which the respective electrodes are formed and a quartz substrate are bonded together using wax, and the compound semiconductor substrate and the selective etching of the light input / output substrate are bonded together. A second step of removing the layer by polishing and chemical etching;
The surface of the optical input / output substrate from which the compound semiconductor substrate and the selective etching layer have been removed, and silicon on which the semiconductor elements are integrated on one main surface, and the metal layer for electrical connection and the metal layer for heat dissipation are patterned. The surface of the integrated circuit substrate facing the surface on which the semiconductor elements are integrated is positioned using infrared light, bonded through an insulating adhesive layer made of an organic material, and the wax is melted by heating, A third step of removing the quartz substrate;
Forming a through hole for connecting the semiconductor element on the silicon integrated circuit substrate to each of the electrodes of the plurality of light emitting elements and the plurality of light receiving elements, and filling the through hole with a metal for electrical connection; With four steps,
The first step includes a step of processing the contact layer, the second DBR layer, the active layer, and the first DBR layer to form a light emitting element portion, and the contact of the formed light emitting element portion Forming a light emitting element by forming an electrode on the layer and the first DBR layer, and forming a light receiving element by forming an electrode on the light absorbing layer exposed by the step of forming the light emitting element portion A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit, comprising:
化合物半導体基板の一方の主面上に、第1の選択エッチング層、コンタクト層、第1のDBR層、活性層、第2のDBR層、第2の選択エッチング層、FET素子構成層、光吸収層の順にエピタキシャル成長によって積層体を形成した光入出力基板と、
一方の主面上に半導体素子が集積され、かつ電気接続用金属層および放熱用金属層がパタン形成されたシリコン集積回路基板とを、
前記光入出力基板の前記積層体を形成した面と前記シリコン集積回路基板の半導体素子が集積された面とを対向させて有機材料からなる絶縁性の接着層を介して貼り合わせ、前記光入出力基板の前記化合物半導体基板および前記第1の選択エッチング層を研磨および化学エッチング法により除去する第一の工程と、
前記第一の工程に引き続き、前記積層体を加工して発光素子およびFET素子ならびに受光素子とを形成し、当該発光素子およびFET素子ならびに受光素子の各々の電極を形成する第二の工程と、
前記シリコン集積回路基板上の半導体素子と前記発光素子およびFET素子ならびに受光素子の各々の電極とを接続するためのスルーホールを形成し、前記スルーホールを金属で埋めて電気的に接続させる第三の工程とを備え、
前記第二の工程は、前記コンタクト層と前記第1のDBR層と前記活性層と前記第2のDBR層とを加工して発光素子部を形成するとともに前記第2の選択エッチング層を露出させる工程と、露出した第2の選択エッチング層をエッチングして前記FET素子構成層を露出させ、露出した前記FET素子構成層を加工してFET素子部を形成する工程と、形成した発光素子部の前記コンタクト層と前記第2のDBR層とに電極を形成して発光素子を形成する工程と、形成したFET素子部に電極を形成してFET素子を形成する工程と、前記FET素子部を形成する工程によって露出した前記光吸収層に電極を形成して受光素子を形成する工程とを含む
ことを特徴とする半導体集積回路の製造方法。
On one main surface of the compound semiconductor substrate, a first selective etching layer, a contact layer, a first DBR layer, an active layer, a second DBR layer, a second selective etching layer, an FET element constituent layer, light absorption An optical input / output substrate in which a laminate is formed by epitaxial growth in the order of the layers;
A silicon integrated circuit substrate in which a semiconductor element is integrated on one main surface, and a metal layer for electrical connection and a metal layer for heat dissipation are patterned;
The surface of the optical input / output substrate on which the laminated body is formed and the surface of the silicon integrated circuit substrate on which the semiconductor elements are integrated are opposed to each other via an insulating adhesive layer made of an organic material, A first step of removing the compound semiconductor substrate of the output substrate and the first selective etching layer by polishing and chemical etching;
Subsequent to the first step, the stacked body is processed to form a light emitting element, an FET element, and a light receiving element, and a second step of forming each electrode of the light emitting element, the FET element, and the light receiving element;
Forming a through hole for connecting the semiconductor element on the silicon integrated circuit substrate to the respective electrodes of the light emitting element, the FET element, and the light receiving element, and filling the through hole with a metal to electrically connect them; With the process of
In the second step, the contact layer, the first DBR layer, the active layer, and the second DBR layer are processed to form a light emitting element portion and to expose the second selective etching layer. Etching the exposed second selective etching layer to expose the FET element constituent layer, processing the exposed FET element constituent layer to form an FET element part, and forming the light emitting element part Forming a light emitting element by forming electrodes on the contact layer and the second DBR layer; forming an FET element by forming electrodes on the formed FET element part; and forming the FET element part Forming a light receiving element by forming an electrode on the light absorption layer exposed by the step of performing a manufacturing method of a semiconductor integrated circuit.
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